空地协同测绘在广州圆异型建筑验收中的应用

杨 光，刘 敏，王 磊，周燕芳

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

随着当今信息化测绘体系的协同发展，以数字化为主体的技术装备将GNSS、RS、GIS与数字测绘产品有机结合，实现空天陆海的一体化[1]。基于这一理念,空地协同测绘或一体化测绘的内涵是将地面与空中的测绘遥感技术手段相结合，实现技术的互补、作业的协同和成果的互用。正因为如此，基于多种仪器设备的空地协同测绘已成为近年来的研究热点，并在公路勘察[2]、地形测量[3]、全景影像快速获取[4]和水上水下测绘[5]等领域得到研究应用。三维激光扫描技术具有数据获取速度快、非接触、精度高、直接获取目标物体表面三维数据等优势；无人机影像可以获取建筑物顶部和地面信息，结合三维激光扫描技术获取的建筑物立面信息，二者可以实现优势互补，更利于进行复杂建筑物的精密测绘、模型的精细构建和三维场景的快速更新[6]。

规划验收测量是城市建筑工程规划管理的重要环节，是在建筑物工程竣工后对建筑物实体进行全方位的精细现状测量，并按照规划部门前期审批条件(平面位置关系、立面、面积、容积率等规划指标)进行规划技术审查的工作。随着现代建筑艺术的发展和人民经济生活水平的提高，许多城市在建设过程中更加注重城市个性化发展，以抽象思维设计标志性建筑物往往以非常态表现形式呈现。对这些建筑物进行规划验收测量时，采用常规测绘方法需要逐层逐边进行量测，然后分层绘制、测算，不仅工程量巨大、测绘周期长，而且不规则区域特征部位往往难以直接获取，从而导致点位精度和面积可靠性等技术指标均难以满足规范要求。

广州圆大厦被列入广东省新十项工程和广州市重点项目，是省政府重点支持的大型现代发展项目。项目坐落于广州白鹅潭经济圈最南端，毗邻珠江，规划占地面积13万m2。大厦建筑造型独特，主体为圆璧形，兼具超甲级写字楼和商业两大功能，并规划配套2栋30层酒店式公寓和塑料博物馆、蜡像馆，是集商务办公、奢华购物、酒店式公寓和旅游于一体的大型商务综合体。利用独特江景建筑风格，广州圆大厦将着力打造为全球化江岸商务办公新地标和五百强总部基地。

1 技术难点与应对

1.1 特殊的建筑形态制约了轮廓特征采集

广州圆大厦主体为高138 m、外圆直径146.6 m、内圆直径47 m的33层建筑，总建筑面积10.6万m2。建筑外部形状浑圆、内部构造方正，这与建筑外围设计的大圆面挡住了中间凸出的方形建筑空间有关。建筑的构造由古玉璧形状得到启发，两个圆形外墙完全支撑方形的楼层，使室内空间能够充分利用，而方块与圆形外墙形成的反差是建筑主特色之一。“双圆支撑”“同心圆环”和“外圆内方”等一系列独特的造型设计使得建筑轮廓极度不规则，同时也制约了建筑特征点的直接测量。

规划验收测量作为建筑工程规划管理的重要环节，需要对建筑物实体进行外部轮廓的精确确定，并按照规划部门的审批条件(平面位置关系、立面、面积、容积率等规划指标)进行逐一对比。而外形轮廓的制约，使得很多重要部位无法到达，很多关键特征点也无法通视，阻碍了建筑轮廓特征点的采集获取。

无人机技术是近年来研究和应用的热点，轻小型无人机因其获取影像机动灵活、影像分辨率高、成本低等优势,成为传统航空摄影测量手段的有效补充[7]。低空无人机航空摄影测量可快速获取大范围影像数据，结合倾斜摄影材料还可以生成精确三维模型，在违法测量、应急测绘、交通、农业等有着广泛应用。基于“广州圆”大厦的结构特点，本项目在规划验收测量中引入低空无人机进行倾斜航空摄影，并与地面三维激光精细扫描技术相结合，形成了“空地协同”的测绘模式，实现了建筑轮廓的快速精确采集。

1.2 复杂的内部构造给面积计算带来影响

广州圆大厦设计结构类型为混凝土核心筒加钢支撑结构，内墙为加气混凝土[8]。工程有23 m的大悬挑，外面有两层网状支架，施工难度极大，部分工艺构造是国内首次应用。大厦主体构造极不规则：地下2层高4.2 m，地下1层高5.2 m，地上首层高6.96 m、2、3层高5 m、4层高4.1 m、其余层高4 m；地上33层和地下2层，地下2层为车库。地上一共33层的建筑物，在27层还需要转换一次电梯。由于主体复杂的结构构造，加之有挑层错层又层层交错，导致建筑单元和功能区愈加复杂。

规划验收测量需详细测绘并体现房屋分层平面布局、单元户型结构、楼梯、公共过道、公建设施用房、设备用房、管理用房、核心筒、停车泊位等内容，并形成分层平面图。高低错落分布的单元和功能区，在平面和立面投影上特别复杂，也给层高测量和功能区面积计算等工作带来较大困难。

为此，项目组严密筹划精心设计，结合工程特点采用三维激光扫描技术手段，使外业数据采集突破传统的单点采集模式，数据量的获取达到30万点/s[9]，极大地缩短了外业工作时间，有效提高了作业效率。同时，基于广州市规划基础平台自主研发了具有相应功能的信息化测绘软件，集数字化地形图成图、编绘及数据整理入库，以及竣工验收测量平面位置关系图、立面图、面积图绘制计算等多功能于一体，避免了多种软件之间转换精度损失，大大增强了内业处理效率。

1.3 超大型玻璃幕墙为测量工作带来挑战

出于外观和节能的综合考虑，广州圆大厦设计采用的是金色特种低辐射玻璃，玻璃幕墙总面积超过4万m2。玻璃表面采用高科技涂料，太阳直射时看不到金黄色，随着视角的变化玻璃颜色会发生变化。这种玻璃具有优异的透光性，白天室内基本使用自然光，同时也有良好的隔热效果，能将辐射热量有效反射，达到少开空调的节能效果。与现有的高层建筑(如珠江新城西塔、广州塔)不同，广州圆大厦的玻璃面积和形态各不相同，其中最小的仅有0.15 m2，最大一块达7 m2，总共有30多种形状。

这种大面积和非规则玻璃墙面的使用显著增加了立面和特征轮廓采集的难度和工作量。由于幕墙的通透性，采集碎部点时免棱镜全站仪不能直接通过反射获取数据，一般必须通过使用小棱镜来获取。同时，采用三维激光扫描时也必须充分进行数据滤波，提取和利用玻璃边框处有效数据参与内插才能确保幕墙的测量精度。为此，项目组在立面关键部位测绘中，综合使用手持测距仪、全站仪、激光扫描仪等多种设备联合作业，以多种测绘手段互为补充、互为验证，提高了成果可靠性。应当看到，虽然三维激光扫描在通透材质的建筑物数据采集中有一定的局限性，但得益于先进和高速的扫描技术，在类似结构复杂、超大规模的测量中仍有着明显优势。

2 技术实施

2.1 三维动态模式的CORS控制测量

按照建筑物竣工验收测量技术方案的总体要求，空地协调测绘的作业从无人机到全站仪，再到三维激光扫描设备，各作业小组、各作业模式均统一使用同一套控制网，并与精密施工控制网保持一致，减少控制点精度差异。项目的图根控制直接采用广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统(GZCORS)，并与广州市似大地水准面成果(GZGEOID)紧密结合，利用亚厘米级高精度GZGEOID计算正常高[10]，以动态测量的模式直接获取三维坐标。

作业现场除广州坐标和高程外，还基于远程模式的三维坐标转换系统(GZGeoTrans)[11]直接获取严密的WGS-84三维地心坐标、CGCS2000坐标和局部施工坐标，以满足多种用途。GZGeoTrans与CORS平台无缝连接，直接支持测量手簿移动端作业，使用便捷且安全可靠，坐标实时转换效率得到了极大提高，也兼顾了甲方的工程作业要求。经与既有控制成果作比对统计，RTK成果平面精度优于1.0 cm，高程优于1.7 cm，测量点对的边长最弱相对精度优于1/6000，根据《广州市GNSS RTK测量技术规程》等规范要求，完全满足城市三级控制点精度，见表1。

表1 三级RTK控制点检测精度统计

注：(1)较差个数小于20个统计平均值，大于20个统计中误差；

(2)S为测距，单位m。

2.2 基于倾斜摄影的无人机低空测量

项目采用瑞士Sensefly公司的无人机系统对广州圆大厦及周边用地进行低空航摄。考虑用地范围内西侧和北侧有高架桥，东侧有高压塔，南侧为珠江水域，科研楼建筑设计高度为138 m，综合现场各种情况，无人机起飞和降落点选择在西南侧一处草坪。现场用eMotion2软件设置飞行区域，旁向重叠与航向重叠均为70%。因需制作用地范围内的三维模型，选择航线交叉飞行。最终共20条航线，总飞行时间约26 min。

外业飞行完毕，用eMotion2和Postflight Terra 3D软件处理航拍照片，生成飞行区域的三维模型和正射影像图。经过精细滤波和局部修正后，利用点云影像数据对建筑场景进行数据提取，得到反映建筑物表面几何结构的三维信息，并进行航站楼三维精细模型的构建。生成的正射影像图可用于内业连线，检查员检查地形图。正射影像图和三维模型也为建设单位提供更加多样化和直观的竣工规划验收测量成果，如图1所示。

图1 广州圆大厦及周边用地三维影像

2.3 多模式的三维激光精细扫描测量

三维激光扫描突破了单点精确测量的局限，目前已在硬件装备、三维点云数据处理及应用3个方面取得了巨大的进步[9，12]。它克服了规划验收测量局限性，不再利用皮尺、测距仪等直接量取长宽高，而是对建筑物进行大规模无接触扫描，同时将点云数据进行快速转换处理，解决了建筑物立面数据人工采集带来的精度损失、效率损失等问题，尤其是解决了高层建筑物立面元素无法量测的问题，具有快速、无接触、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点。以点云形式获取建筑物表面的阵列式几何图像数据，为快速测制建筑物的立面图提供了一种全新的技术手段，同时还可以较为便利地建立高分辨3D模型。

项目采用Riegl VZ400和FARO Focus3D×330设备进行了多种模式的联合激光扫描。Riegl扫描仪在广州圆四周共扫描22站，FARO扫描仪在广州圆10层内圆中空位置共扫描10站。经过Riscan Pro软件的数据初配准和ICP自动精配准，将外业扫描的各站点云数据置于同一个坐标系下，进行滤波后输出点云数据。对点云数据在不同高度作切片处理，可直接绘制各层轮廓线，也可直接用于各层的面积计算。

2.4 信息化测绘软件的内业自动处理

项目的数字化地形图成图、编绘及数据整理入库，竣工验收测量平面位置关系图、立面图的制作及面积计算等全流程都是基于自主研发的内外业一体化软件——广州市规划基础信息测绘平台来完成。平台提供了从外业数据采集记录、内业控制网平差计算、数据导入、地形图绘制、GIS前端数据整理、数据质量检查、数据转换等成套的作业模块，使得外业数据采集、内业图形绘制、属性内容录入集成在一个平台系统中，简化了作业的中间过程及对其他软件的依赖，如图2所示。

图2 验收平面位置关系图

传统的规划验收测量面积汇总表和建设工程规划验收概况一般采用手工录入信息计算汇总的方式。采用新开发的广州市规划基础信息化测绘平台后，面积计算完成后，面积汇总表和建设工程规划验收概况即可自动生成，不仅提高了工作效率，也减少了多环节人工录入信息易产生的错误。项目为业主方提供了《广州市建设工程规划验收测量记录册》1册、正射影像图1份、三维模型1个，所提供的资料地理精度、数学精度等符合验收测量的要求。相关测量数据有力地辅助了规划行政技术审查，经比对，建设工程现场基本符合规划验收测量要求，部分间距略大于批准间距。城市规划管理部门依据竣工验收测量成果及时做出批复，使该工程顺利通过规划验收。

3 结 语

广州圆大厦设计独特，结构复杂，测绘面积大，精度要求高，项目组克服不利条件，在规划验收测量中引入了低空无人机进行倾斜航空摄影，并与地面三维激光精细扫描技术相结合。在幕墙等关键部位测绘中， 综合使用手持测距仪、全站仪、激光扫描仪等多种设备联合作业，以多种测绘手段互为补充、互为验证，提高了成果可靠性，形成了空地协同的测绘模式，实现了建筑特征数据的快速精确采集，极大地缩短了外业工作时间，有效提高了作业效率。

虽然三维激光扫描在通透材质的建筑物数据采集中有一定的局限性，但在结构复杂、超大规模建筑物测量中仍有着明显优势。利用生成的竣工3D模型与建筑物报建直接进行比对，可满足规划审批的需要，也探索验证了城市重大建筑物、标志性建筑物的精细验收新模式。